煤田数字高密度地震勘探的应用效果探析

2013-11-26刘俊杰王彦春

中国煤炭 2013年1期

刘俊杰王彦春

(1.中国地质大学 (北京)，北京市海淀区，100083；2.法国地球物理研究总公司维里达斯 (北京)，北京市朝阳区，100004)

三维地震勘探主要用于煤田勘探阶段的首采区和煤矿建设与生产过程中，所能解决的地质任务以控制构造为主，为采煤工作面设计和高产高效生产提供地质依据。随着综合机械化开采程度的不断提高和开采条件的日趋复杂，煤炭高效安全生产对地震勘探提出了更高的要求，希望能够勘探落差更小的断层。安徽淮南、淮北，山西潞安、晋城等煤炭企业提出要解决落差小于2m的断层，由于这些小断层比较发育，往往成为煤田瓦斯和水害的聚集场所，严重制约煤矿企业高效安全生产。

近年来，利用数字检波器进行单点高密度三维地震勘探技术得到了迅速的发展，在小构造检测和下组煤层勘探中显示出巨大技术优势。煤田常规地震勘探所采用的仍然是模拟检波器，以串组合的采集方式。模拟检波器一般工作在自然频率 (一般10Hz)之上，在自然频率之下存在-6dB的衰减，其动态范围一般在60dB左右，并且稳定性差，畸变大；而基于微电子机械系统 (MEMS)技术制造的数字加速度计简称数字检波器 (DSU)工作在自然频率 (一般在1000Hz)之下，因此在0～800Hz范围内全频接收，无相位畸变和高、低频衰减，振幅保真性好；DSU数字检波器具有120dB的动态范围，因此能够在煤田地面干扰噪音非常大的情况下很好地记录来自地下煤层的微弱高、低频反射信号；并且由于数字检波器直接输出数字信号，不受外界电磁信号干扰的影响，抗50Hz工业干扰能力强，因此，数字检波器保证了在煤田高电磁干扰环境下，采集到更高分辨率和更高保真度的地震资料。

1 数字检波器的地球物理特性

数字检波器以MEMS硅芯片为传感器单元，MEMS硅芯片是电容式加速度计，基于MEMS芯片的数字检波器在0～800Hz范围内输出频带保持平直；输出相位为零相位，对低频和高频均没有衰减压制作用；而模拟检波器线性频带一般在10～80Hz，从10～0Hz存在固有的-6dB的衰减(这里对比的是10Hz检波器，其它可以类推)，从而对频率低于10Hz的地震信号有压制衰减作用，对于高于80Hz的高频信号，模拟检波器会存在一定程度的高频衰减，导致各个检波点输出的地震道振幅特性的损失，不利于AVO等以振幅保真为前提的振幅检测技术使用。

图1 SERCEL DSU3数字检波器与模拟检波器的幅频特性对比

通过对数字检波器与模拟检波器的幅频特性和相位特性进行对比，见图1和图2。从图中可以看出:模拟检波器存在由低频到高频的相位畸变，表现为在低频端大相位，高频端小相位的特性，模拟检波器相位的变化与它所采用的动圈式结构有必然的关系，这必然使模拟检波器串内的各个检波器相位特性不一致，导致各个检波点输出的地震道相位特性不同，而数字检波器在0～800Hz范围内的相位响应是零相位。正是由于数字检波器优异的幅频特性和相位响应特性，使得数字检波器特别适合于高分辨率和高精度地震勘探。

图2 SERCEL DSU3数字检波器与模拟检波器的相位特性进行对比

2 数字检波器的应用方法

采用数字检波器单点高密度接收 (点距一般10～20m)，能够避免常规方法使用模拟检波器串组合采集的组合效应，对信号和噪音均无压制和衰减，高保真地记录地震波场，即所谓 “全进全出”。正因为数字检波器采用单点接收，其原始单炮资料信噪比往往要低于组合接收的模拟检波器资料，并且，数字检波器空间采样密度高，避免了低视速度干扰波 (如面波等)出现空间假频，对干扰波的无假频采样更有利于信噪分离，干扰波的压制效果更好；利用数字检波器单点记录通过室内数字组合技术 (DGF)，首先通过动校正解决大的组合基距引起的正常时差；然后通过静校正把静校正量实施给每个独立的检波点，使组内道间时差趋于零，有效波组合时达到同相叠加，将常规垂直叠加频率滤波作用减小到最小。因此，以往仅凭信噪比评价原始记录优劣的方法不再适用于单点数字检波器的资料，应当增加相应的去噪后的叠加剖面评价标准。

图3是组合检波器与数字单点接收的对比图，单点接收在野外就抛弃了组合压噪的概念，虽然原始炮记录信噪比低于常规检波器，但它利用数字检波器全频带的特点，保护了低频和高频弱信息，有利于宽频带的保存记录下来自地下的反射，因此，针对数字检波器资料应该有配套的叠前压噪处理方法。只有从观测系统设计开始就充分考虑单点接收的特点进行高密度的观测系统设计，在处理阶段针对性地应用叠前压噪处理方法，才能保持其优点，克服其缺点，最终发挥出数字检波器在振幅保真、高分辨率成像等方面的优势。

图3 组合检波与点接收对比

3 高密度数字地震勘探在丁集煤田的应用

2007年，淮南矿业集团与中石油东方地球物理公司合作，在丁集煤矿进行了数字高密度精细三维地震勘探，目标是查明主要煤层 (13-1、11-2、8煤层)中落差2m以上的断层。这是我国煤田系统地震勘探中首次采用基于MEMS技术的DSU1数字检波器，用来提高高频弱信号的接收能力，达到提高资料的纵、横向分辨率，落实小断层的目的。本次采集野外接收采用16线10炮160道接收三维观测系统，接收线距等于炮线距，均为100m，检波点距等于炮点距，均为10m，每次滚动一条检波线，纵横比达到1∶1，达到了较高的覆盖次数 (64次)和较高的空间采样 (CMP面元5m×5m)，实现了理论意义上的对称、正交、宽方位角观测效果。

本次勘探首次使用了数字检波器 (DSU1)进行单点接收高密度采集，通过对原始地震数据的分析，本次采集的地震资料具有两个突出特点。第一，本次采集的原始炮记录上没有工业频率干扰，这是由于DSU1数字检波器采用全数字传输，大地反射信号在被MEMS芯片检波后，立即经ASIC芯片数字化，然后传输到中央记录单元，不存在模拟数传，因此，避免了工业50Hz交流电的影响。第二，本次采集的原始地震资料频带宽，根据对原始资料的品质分析，低频端达到2Hz左右，而高频带端达到了200Hz以上，地震资料的品质较高，这是由于数字检波器是宽频检波器且采用单点接收对信号和噪音均无压制和衰减，因此能够全部记录高、低频反射信息，高保真地记录地震波场。

为了达到识别主要煤层 (13-1、11-2、8煤层)中落差小于2m的断层，在资料处理阶段针对性地应用了叠前去噪、串联反褶积和叠前时间偏移技术。叠前去噪的目的是通过压制各种规则干扰，保护来自断层的微弱的绕射信息和散射信号，提高煤层的信噪比。在实际处理中应用正交十字排列域面波及规则干扰压制处理技术，利用有效波和干扰波视速度和视频率的差别，把数据按照正交十字排列选排，根据有效信号浅层高频低速、深层高速低频的特点，在频率-偏移距域，使用最小平方陷波滤波方法，消除规则干扰 (如面波)的频率-波数域分量。应用串联反褶积技术的目的是压缩子波，提高分辨率，虽然本区数字检波器资料频带较宽，但受近地表吸收和在地层传播衰减的影响仍然存在着子波空间不一致性，以及层间多次波影响薄煤层的分辨率等问题；并且本区煤层层数多 (可采煤层达3层)，煤层厚度变化大，合理应用地表一致性反褶积和多道预测反褶积就能有效地改善子波一致性，压缩子波长度，压制多次波，提高主要煤层 (13-1、11-2、8煤层)的分辨率。

叠前时间偏移成像技术是本次数字单点高密度地震应用的关键技术，虽然本区主要煤层倾角不大，但陷落柱和断层比较发育，速度存在着横向变化；并且本区多年实践已经证明常规叠后时间偏移不能很好地落实陷落柱和断层的具体位置，存在着较大误差。本区应用叠前时间偏移技术的重点在于高精度均方根速度模型的迭代和修正，在前期叠前噪声压制、精细反褶积和高精度迭代静校正的基础上，通过多次迭代速度更新和参数选取，最终获得了高信噪比、高分辨率、高精度叠前成像。

图4 T4煤层波阻抗平面图

在精细地质解释的基础上，数字高密度地震在丁集煤矿的应用揭示出很好的地质效果，在采用数字检波器高密度采集的三维地震数据上进行地震多属性分析可有效地识别区内断距小于2m的小断层。图4为T4煤层波阻抗平面图，从图4中可以清楚地识别煤层中的巷道，如箭头所示。经丁集煤田1262(1)、1252 (1)、1422 (1)3个工作面的实际生产验证:3个工作面实际揭露的小于2m的断点14个，数字高密度地震勘探成果发现12个，遗漏的2个点，验证成功率达85.71%。